粉细砂层小直径超长钻孔桩施工技术研究

白晓红 ，张代富 （中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000）

0 前言

近年来，随着桥梁建设的高速发展，高速铁路四通八达，涉及的范围极广，对于不同地质条件下的桩基施工，采用施工方法与工艺有所不同。

关于桩基所在地质条件下的粉土、粉砂、细砂和中砂的施工，过去有很多研究。文献[1]对可液化粉细砂层大直径桩基技术进行了全面论述，文献[2]主要介绍了砂土地基中钻孔灌注桩施工技术。

本文在以往研究的基础上，对桩基在八级地震断裂带地区粉砂、细砂、中砂层地质下钻孔灌注桩施工过程中受砂土地震液化、地面沉降等不利施工条件影响，易出现缩孔、塌孔、垂直度控制难、孔底沉渣控制难等问题进行了深入研究且桩基施工质量控制效果明显。对类似工程提供可靠工程实践经验。

1 工程概况

京唐铁路跨京哈高速公路特大桥桥址区位于八级地震断裂带地区，主要地层为第四系新近沉积层（Q43Nd）、全新统冲积层（Q4al）、第四系上更新冲洪积层（Q3al+pl）的粉土、粉细砂及砂层。桥梁钻孔桩基础大部分属小直径超深钻孔桩，最长桩110m，桩直径有（1.0 m、1.25 m、1.5 m、2.0 m）,桩基数量多，全部为摩擦桩。粉土、粉细砂及砂层桩基钻孔施工时易发生缩孔、坍孔。

2 总体施工方案

八级地震断裂带地区粉砂、细砂、中砂层小直径长桩基技术是通过反循环回旋钻机三翼空心单尖带双外环钻头成孔，钻进过程采用泥浆护壁，采用JL-IUDS(C)智能超声成孔检测仪及JL-DST(A)钻孔孔底沉渣检测仪进行孔深孔径、沉渣质量检测、控制，利用钻机反循环系统进行一次清孔；钢筋笼由工厂全自动滚焊机制作，平板汽车运输至施工现场，采用50吨吊车吊装，专用安装平台准确定位、固定；“气举反循环”方式二次清孔，混凝土灌注前采用“测针测饼法”精确控制沉渣厚度；采用专用罐车上坡平台的使用实现了水下混凝土快速灌注，通过测绳和捞渣斗双控桩头混凝土高度。

3 桩基施工关键技术

3.1 成孔

3.1.1 钻机选择

根据钻孔桩直径、长度，尤其要根据地层土质特点选择合适的钻孔机械，本桥区桩基主要以粉、细砂层为主，钻孔过程中易缩颈与坍孔。因此选功率较大而振动较小的CF-350反循环回旋钻机进行钻进成孔,并对部分位置进行改良，如在单环钻头上增加一个外环，能够起到对孔壁二次加固塑型的效果，并将钻机三翼空心单尖带单外环钻头改进为三翼空心单尖带双外环钻头。

3.1.2 护筒

本工程土层主要为粉土、粉细砂及砂层，地下水位埋深较浅，介于0.6 m～3.0 m间，为防止地表土层由于钻孔施工振动而坍孔，采用护筒隔离地面水和保持孔内水位高出施工水位，护筒采用厚度为10mm厚的钢板，护筒内径比钻头直径大20 cm。将护筒周围4 m范围内的砂性土挖除，夯填粘性土至护筒底0.5 m以下，护筒埋设深度不小于2 m，为加强护筒的刚度，防止在吊装、转移过程中引起过大变形，护筒顶部用10 mm厚钢圈焊接在护筒的顶部。

3.1.3 钻孔

在粉细砂层中快速钻孔易造成坍孔，一般采用低、中档速度均速连续钻进，保持循环液钻碴含量稳定适量。钻孔时孔内水位应保持在地下水位线2m以上不低于护筒底1.5m。钻机钻头升降平稳避免碰撞孔壁，钻杆拆装要迅速减少停钻时间。

3.1.4 泥浆

泥浆在桩孔施工中的主要作用是护壁防塌、平衡地层压力、润滑和冷却钻头[3]，清洗孔底、携带钻渣等。本工程钻孔桩最长为110m,穿过的地层主要为粉、细砂、砂层为主,钻孔过程中易坍塌，因此对泥浆的要求高，最终得到的泥浆性能指标为：相对密度 1.05 g/cm3～1.15g/cm3，粘度 18s～28s，含砂率≤4%，胶体率≥95%，PH值8～10，泥皮厚≤3mm/30min；可以有效避免出现塌孔、缩孔等发生，对清孔、浮渣效果明显。

3.2 钢筋笼精确定位

第一节钢筋笼吊放至孔内后，采用安装平台穿杠将钢筋笼定位至平台上，进行钢筋笼中心位置复核，确定钢筋笼安装中心位置并校正钢筋笼中心后，起吊第二节骨架，使上下两节骨架位于同直线上进行孔口连接，连接时必须保证钢筋笼的连接质量。桩基钢筋笼连接完成后，在最上一节骨架上安装循环活动吊筋，吊筋应牢固固定在操作平台孔口的吊杠上，防止钢筋笼上浮或下沉。

为确保钢筋笼居中，同时保证桩身保护层的厚度，采取在护筒内安装定位卡具限制钢筋笼的位置。钢筋笼护筒内定位卡具如图1所示。

图1 钢筋笼护筒内定位卡具

3.3 二次清孔

待钢筋笼安装及导管安装完成后，进行孔深测量，确定桩底沉渣厚度及泥浆指标，采用气举反循环方法进行二次清孔，气举法清除沉渣速度快，但对于砂粒漂浮于孔内难以全部清除，需根据空压机的功率计算清孔时间，确保孔内泥浆被更换3次，为防止砂粒再次沉淀，需要缩短二次清孔与水下混凝土灌注的时间，且首次灌注混凝土方量不小于5 m3，导管下放深度至孔底30 cm～50c m,确保孔底沉渣被全部翻滚到混凝土顶面。

3.4 沉渣厚度控制

为了更能准确地控制沉渣厚度，采用“测针测饼法”，它主要由测绳、测饼、测针构成，沉渣厚度测量示意见图2所示，在二次清孔结束后，先用测饼测一深度L1，再旋进测针，测一深度L2，测针净测长度为 S，则桩底沉渣为L=L2+S-L1。

图2 沉渣厚度测量示意图

3.5 水下混凝土灌注

对于超长桩基混凝土灌注，桩基混凝土采用拌和站集中拌制，混凝土运输车运输至现场，在浇筑前对孔深及沉渣厚度进行检测，满足设计要求时申报混凝土，每桩混凝土连续到达现场两车后，即进行混凝土卸料，前两车每车混凝土不少于15m3，封底混凝土浇筑方量不小于5m3，封底料斗放满后第一车罐车退出去，让第二车开到孔口，当首批混凝土进行卸放时，应同时卸放罐车内混凝土，保证混凝土卸放连续，并观察孔内水位变化情况。

3.6 桩头超灌混凝土控制

对于超长桩基混凝土灌注，混凝土灌注过程中导管拆卸次数多，上下提升导管，桩顶混凝土石子容易下沉，造成桩头浮浆过厚，为了确保桩头混凝土质量，桩顶标高一般按照超灌1m～2m控制，并在浇筑完成后采用捞渣斗进行捞渣复查桩顶混凝土能否捞取出粗骨料，如不能应继续灌注混凝土直到满足要求再停止灌注水下混凝土。

4 钻进过程存在的问题及控制措施

由于桩基工程属于地下隐蔽工程，施工工序较多，工艺流程相互衔接紧密，环环相扣，影响施工正常和施工质量的因素很多，难以全部预见[3]；在粉砂层小直径长桩钻孔施工过程中，应重点防止坍孔、缩径、孔身偏斜、弯曲、钢筋笼上浮、偏位、断桩与声测管防堵等情况发生。

4.1 防止出现坍孔与缩径

护筒埋设时应采用粘土压实，防止钻头出土时孔内水位冲刷砂层造成护筒悬空，引起孔口坍塌；在钻孔过程中，控制好钻孔速度，勤检查孔内水位，保持孔内水位高出地下水位2m以上高度且在护筒内不少于1.5m；在粉砂层钻进时，控制钻进速度4m/h～5m/h，缩短钢筋骨架及导管下放时间与混凝土浇筑的间隔时间，钢筋笼焊接安装时间控制在6 h～7h；清孔时间控制在4h；导管安装时间控制在2h；桩基混凝土浇筑时间控制在5h～6h；单桩从钻孔、清孔、下钢筋笼、混凝土浇筑需用时间控制在45 h～48h。

4.2 防止孔身偏斜、弯曲

由于钻孔桩桩长较大，应将钻机置于夯实的地基上，并采用钢板将钻机底座垫平、保证钻机安装牢固，机架不摆动，确保钻机的钻杆始终对准桩基孔心，在钻进过程之中每钻进20 m左右对钻机水平进行一次检查，发现钻机倾斜超标及时处理。如出现偏斜，应在偏斜处用钻锥反复扫孔，使钻孔正直。偏斜严重时回填粘土至偏斜处，待沉淀密实后重钻[4]。

4.3 防浮笼措施

灌注时应采取措施防止钢筋笼上浮。混凝土面接近和初进入钢筋骨架下端时，应减慢浇筑速度，以减小混凝土对骨架的冲击力，当混凝土进入钢筋骨架4m～5m以后，应减小导管埋深，以增加骨架在导管口以下的埋置深度，混凝土顶面上升到骨架底部6m以上时，宜提升导管，使其底口高于骨架底部2m以上后再恢复正常灌注速度。

4.4 钢筋笼中心偏位防治措施

钢筋笼加工时其四周垫块沿桩长方向每隔2m布置1圈，每圈4个；孔口承重方木（工字钢）保持水平，吊环对称设置；钢筋笼下放后，利用定位桩，拉十字线，微调钢筋笼，使钢筋笼中心与桩中心重合；另外由于钻孔桩施工中护筒直径大于桩径，在桩顶钢护筒内设计定位卡具，定位卡具设置成可调节式适用于不同桩径，当最后一节钢筋笼安装前，将卡具安装在护筒内，确保钢筋笼居中，同时还保证了保护层的厚度，

4.5 防断桩措施

混凝土坍落度控制在180mm～220 mm之间，首盘封底混凝土坍落度尽量取小值，确保首批混凝土灌注后导管埋深大于1m，首封时控制导管底口距离孔底距离在30cm～50cm范围内；导管埋深在2m～6m范围，确保导管接头不漏水。

4.6 声测管防埋设

声测管材质满足设计要求，加强声测管接头连接检测，加密环向加强筋固定，声测管埋出地面，孔内注清水，管顶采用管帽封堵，防止声测管受碰撞变形。

在混凝土灌注完7天后即可提前对桩基质量进行检测，发现问题及时处理，同时可以在基坑开挖到位桩头凿除后不用再检桩立即可以进行承台钢筋绑扎施工，缩短工序时间。

5 结语

①对于粉细砂层地质，采用改进三翼空心单尖带双外环钻头的反循环钻机成孔，提高了成孔速度，成孔孔型质量高。

②采用工厂化全自动滚笼机钢筋笼制作与控制，钢筋笼定位工装平台的应用，不仅确保桩基钢筋笼的质量稳定可靠，同时提高了施工效率，确保了工期。

③气举反循环法二次清孔技术的运用使桩基清理较为彻底，采用“测针测饼法”对沉降厚度准确控制，确保了桩底沉降厚度满足设计要求，确保了桩底承载力。

④桩顶混凝土灌注高度采用测绳测量和捞渣斗双重控制，确保了桩头混凝土质量。